Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Mehrkomponenten- Sinterformteils. Einsatzgehärtete Sinterformteile in Form von Zahnrädern oder Kettenrädern gelangen aufgrund ihrer Festigkeit und Härte umfassend zum Einsatz. Beim Einsatzhärten dringen Kohlenstoff bzw. Kohlenstoff und Stickstoff in die Oberfläche der Sinterformteile ein und harter Martensit entsteht. Auftretende Spannungen können durch Anlassen oder durch mechanische Bearbeitung behoben werden. Auch mittels Induktiv-, Laserhärten oder Vergüten kann eine gewünschte Festigkeit erzielt werden.

Zahnräder bestehen grundsätzlich aus einem einheitlichen Werkstoff und können in der Verzahnung thermomechanisch nachbearbeitet werden, um eine gewünschte Festigkeit zu erzielen (EP 2080 936 A2). Auch ein Beschichten der Verzahnung kommt in Frage.

Nachteil bekannter Sinterformteile ist grundsätzlich, dass zur Herstellung der Endgeometrie eine mechanische Nachbearbeitung erforderlich sein kann. Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass das Sinterformteil in den Bereichen, in denen es besonderen Belastungen ausgesetzt ist, eine hohe Festigkeit bzw. Härte aufweist, gleichzeitig ein aufwendiges mechanisches Bearbeiten zur Erzielung der Endgeometrie nicht zwingend erforderlich macht.

Zur Lösung der Aufgabe wird im Wesentlichen vorgeschlagen, dass das Verfahren zur Herstellung des Mehrkomponenten-Sinterformteils die Verfahrensschritte umfasst:

- Einbringen eines ersten Werkstoffs in einen ersten Bereich einer Form,

- Füllen eines von dem ersten Werkstoff verschiedenen pulverförmigen zweiten Werkstoffs in einen zweiten Bereich der Form und Verdichten des ersten Werkstoffs und des zweiten Werkstoffs zur Bildung eines Körpers,

- Sintern des Körpers,

- Härten des Körpers, wobei einer der Werkstoffe ein beim Härten martensitisches Gefüge bildender Werkstoff ist und nach dem Härten eine Härte Hl mit HVo,i > 400 und der andere Werkstoff eine Härte H2 mit HVo,i < 350 aufweist.

0,1 ist die Prüfkraft F in Kilopond bei der Bestimmung der Vickershärte HV.

Die Vickershärte wird gemäß DIN ISO 4498 bestimmt.

Dabei ist in hervorzuhebender Weise vorgesehen, dass das Sintern und/oder das Härten in Endogasatmosphäre durchgeführt wird.

Insbesondere wird das Härten mittels Schroffabkühlen durchgeführt, bevorzugt in Endogasatmosphäre.

Hervorzuheben ist des Weiteren, dass als Endogas ein Gemisch aus Luft-Propan oder Luft- Erdgas verwendet wird, das über einen Katalysator in einem endothermen Prozess erzeugt wird. Der Anteil des Martensits im Gefüge in dem aus dem zweiten Werkstoff bestehenden Material und nach dem Härten beträgt 50 Vol.-% bis 100 Vol.-%. Aufgrund der erfindungsgemäßen Lehre kann der das martensi tische Gefüge bildende Werkstoff in den stark belasteten Bereichen des Sinterformteils verwendet werden, wohingegen in übrigen Bereichen des Sinterformteils ein unlegierter oder niedriglegierter und somit kostengünstiger Werkstoff zum Einsatz gelangen, der zudem nach dem Härten die Möglichkeit eröffnet, dass zur Erzielung der gewünschten Geometrie ein formgebundenes Verfahren, nämlich formgebendes Kalibrieren erfolgen kann, ein Vorteil, der insbesondere bei Lageraufnahmen aufweisenden Sinterformteilen wie Zahn- und Kettenrädern zum Tragen kommt. So kann das weichere Material für die Lageraufnahme, also im Nabenbereich Verwendung finden, wohingegen die Verzahnung durch das härtere oberflächlich ein martensitisches Gefüge aufweisende Material gebildet wird.

Formgebendes Kalibrieren erfolgt insbesondere mittels eines Kalibrierdorns, wobei sowohl Durchmesser als auch Höhe des weicheren Materials im formgebundenen Verfahren dimensioniert wird. Eine mechanische Nachbearbeitung ist demzufolge dem Grunde nach nicht erforderlich.

Somit ist das Sinterformteil aufgrund des Materialmix im Vergleich zu Formteilen aus einheitlichem Material, das in den belasteten Bereichen eine gleiche Festigkeit bzw. Härte aufweisen soll, kostengünstig herstellbar, wobei sich außerdem der Vorteil ergibt, dass eine mechanische Nachbearbeitung dem Grunde nach nicht erforderlich sein muss, da ein Kalibrieren des weicheren Materials ermöglicht wird. Dabei kann das Kalibrieren vor dem Sintern und/oder nach dem Anlassen durchgeführt werden, vorzugsweise entweder vor dem Sintern oder nach dem Anlassen.

Insbesondere ist vorgesehen, dass beim Härten der Körper schroffabgekühlt wird.

Sind vorzugsweise als Sinterformteile Zahn- oder Kettenräder, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden, zu nennen, so kommen jedoch auch andere Formteile in Frage, wie Lagerbüchse, Lagerring, Lagerbock, Lagerdeckel oder Kolben, Pumpennocken, Steuernocken.

Insbesondere erfolgt ein Sinterhärten. Sinterhärten bedeutet dabei, dass bereits im Sinterofen der verdichtete Körper so rasch abgekühlt wird, dass ein Härtegefüge entsteht.

Insbesondere wird der zu sinternde Körper durch ein kontinuierlich betriebenes Ofensystem geführt, z.B. mittels eines Förderbandes oder Rollenförderers, wobei die Schroffkühlzone ggf. unmittelbar hinter der Sinterzone angeordnet ist. Somit kann der Körper rasch aus der Sinterzonenhitze abgekühlt werden, so dass ein Härtegefüge entsteht. Die Kühlwirkung erfolgt durch Konvektion des gekühlten Gasstroms, der die gleiche Zusammensetzung wie die Sinteratmosphäre besitzen sollte, also erfindungsgemäß ein Endogas sein.

Der Verfahrensschritt Aufkohlen ist der Schroffabkühlung vorgelagert, wobei der gewünschte C-Pegel eingestellt wird.

Vorzugsweise sollte der Körper dann der Schroffkühlung ausgesetzt werden, wenn der C- Pegel Cp beträgt 0,6 % < Cp < 1 %.

Dabei erfolgt das Sinterhärten derart, dass ein signifikanter Anteil an Martensit im Gefüge gebildet und somit ein Sinterkörper mit hoher Festigkeit und Härte in den Bereichen erzeugt wird, in denen ein entsprechender Werkstoff, insbesondere aus der Gruppe Sint- D32, Sint-E32, Sint-D39, Sint-E39 (gemäß DIN 30910) eingesetzt wird.

Unabhängig hiervon sollte ein Eisenbasispulver für den ersten Werkstoff und/oder den zweiten Werkstoff Verwendung finden.

Das Härten erfolgt insbesondere unmittelbar nach dem Sintern z.B. in einem Ofensystem. So kann sich an eine Sinterzone unmittelbar eine Zone anschließen, in der die Schroffkühlung erfolgt. Es kann somit ein Prozessraum benutzt werden, der in eine Sinterzone und in eine Schroffkühlzone unterteilt ist. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, das Härten räumlich getrennt von dem Sinterprozess durchzuführen, z.B. in einer externen Anlage.

Somit zeichnet sich die Erfindung auch dadurch aus, dass das Härten unmittelbar nach dem Sintern, vorzugsweise in demselben oder unmittelbar angrenzenden Prozessraum, vorzugsweise unmittelbar nach einer Sinterzone, oder in einem getrennt von der Sinterzone vorhandenen Prozessraum durchgeführt wird.

Wird vorzugsweise das erfindungsgemäße Verfahren in Endogasatmosphäre durchgeführt, insbesondere das Aufkohlen, so besteht auch die Möglichkeit, zumindest beim Aufkohlprozess eine Formiergasatmosphäre unter Verwendung eines Aufkohlungsmittels, wie Propan, Erdgas, Methan, zu nutzen.

Nach der Schroffkühlung, bei der der Körper auf eine Temperatur T mit 30 °C < T < 70 °C, insbesondere 40 °C < T < 60 °C abgekühlt wird, erfolgt ein Anlassen, insbesondere bei einer Temperatur im Bereich zwischen 160 °C und 300 °C über eine Zeit mit insbesondere 50 min. < t < 100 min, bevorzugterweise 60 min < t < 90 min.

Zum Vorverdichten bzw. Verdichten der sich berührenden Werkstoffe zur Herstellung des Körpers, der auch als Grünling zu bezeichnen ist, können die pulverförmigen Werkstoffe, bei denen es sich insbesondere um Eisenbasispulver handelt, insbesondere axial gepresst werden, wenngleich zur Ausbildung der Schichten aus den unterschiedlichen Werkstoffen ein radiales Pressen oder ein axiales und ein radiales Pressen gleichfalls in Frage kommen kann. Gleiches gilt, wenn der erste Werkstoff beim Einbringen in die Form bereits vorgepresst ist.

Ferner besteht die Möglichkeit, Sinterformteile mit mehr als zwei Bereichen auszubilden, die voneinander abweichende Härtegrade aufweisen. So kann zwischen zwei äußeren sogenannten harten Bereichen, die ein martensitisches Gefüge aufweisen, ein weicher Bereich verlaufen, der aus dem unlegierten oder niedriglegierten Werkstoff, also einem Werkstoff, dessen Legierungsbestandteile weniger als 5 Gew.-% ausmachen, verlaufen. Alternativ kann auch ein harter Bereich von weichen Bereichen umgeben sein. Durch entsprechende Variationsmöglichkeiten kann u.a. auch der Vorteil erzielt werden, dass eine Geräuschdämpfung sich bewegender Sinterformteile erzielt wird.

Bereiche können insbesondere Schichten sein.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, den diesen zu entnehmenden Merkmalen - für sich und/oder in Kombination -, sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung eines Zahnrades im Querschnitt, Fig. 2 einen Abschnitt des Zahnrades gemäß Fig. 1 in

Vorderansicht,

Fig. 3a, 3b, 3c, 3d weitere Ausführungsformen eines Zahnrades, Fig. 4a, 4b, 4c, 4d, 4e, 4f Ausführungsformen einer Lagerbüchse,

Fig. 5a, 5b, 5c, 5d Ausführungsformen von Sinterformteilen und

Fig. 6a, 6b, 6c Prinzipdarstellungen von Schichtverläufen.

In den Fig. sind rein prinzipiell mehrschichtige Sinterformteile dargestellt, die entsprechend der erfindungsgemäßen Lehre hergestellt werden. So ist in den Fig. 1 und 2 in Prinzipdarstellung ein Zahn- oder Kettenrad 10 - nachstehend vereinfacht Zahnrad genannt - wiedergegeben, das aus einer ersten Schicht 12 eines ersten pulverförmigen Werkstoffs und einer zweiten Schicht 14 eines pulverförmigen zweiten Werkstoffs besteht. Zur Herstellung können entsprechende pulverförmige Materialien in eine Form, wie Matrize eines Presswerkzeugs eingebracht werden, wobei zum schichtweisen Aufbau entsprechende koaxial zueinander verstellbare Stempel benutzt werden können. Die Lageraufnahme 16 wird durch einen Dom erzeugt.

Wird der Begriff Schicht benutzt, so schließt dieser Begriff neben Pulvermaterialien, auch vorverdichtete Rohlinge wie Grünkörper ein, die im Schnitt z.B. eine L- oder U-förmige Geometrie aufweisen können, soweit die „erste Schicht“ gemeint ist. Die zweite Schicht 14 besteht aus dem pulverförmigen zweiten Werkstoff.

Bei dem Material der ersten Schicht 12 handelt es sich um Pulvermaterial, das unlegiert oder niedriglegiert ist. Letzteres bedeutet, dass der Legierungsanteil gleich oder weniger 5 Gew.-% beträgt. Das erste Material sollte ein Eisenbasispulver sein und kann z.B. Sint- D10- oder Sint-Dl 1 -Material gemäß DIN 30910 sein. Beispielhaft kann das pulverförmige Material der ersten Schicht 12 in Gew.-% aus 2 % Cu, 0,6 % C, 0,7 % Wachs wie Amidewachs und Rest Eisen bestehen.

Das Material der zweiten Schicht 14, die den Umfangsbereich mit der Verzahnung 18 bildet, besteht aus einem legierten Eisenbasispulver, insbesondere aus einem Material der Gruppe Sint-D32, Sint-E32, Sint-D39, Sint-E39 gemäß DIN 30910. Insbesondere ist als Zusammensetzung in Gew.-% zu nennen 2% Cu, 1,5 % Mo, 0,6 % C, 0,4% Gleitmittel wie Kenolube und Rest Eisen. Dabei kann zunächst das Material für die erste Schicht 12 in die Form eingebracht und sodann durch axiales Pressen vorverdichtet werden. Der für die Schicht 14 bestimmte Bereich der Matrize ist dabei von einem Stempelabschnitt belegt.

Nach dem Vorverdichten der ersten Schicht 12 wird der Stempelabschnitt zurückgezogen, um das Material der zweiten Schicht 14 einzufüllen und sodann durch axiales Pressen die Materialien zu verdichten. Anschließend wird der so hergestellte und als Grünling zu bezeichnende Körper gesintert bei einer Temperatur T von ca. 1.100 °C bis 1.280 °C, bevorzugt 1.100 °C bis 1.150 °C, über eine Zeit t > 20 min. Anschließend erfolgt ein Härten in Form von Einsatzhärten mit Schroffabkühlung, wobei als Gas bevorzugt Endogas eingesetzt werden kann. Eine Abkühlung mit Luft ist gleichfalls möglich. Das Aufkohlen erfolgt vorzugsweise, wie beim Sinterhärten, in einem kontinuierlich betriebenen Ofensystem, durch das die zu sinternden und zu härtenden Körper mittels eines Förderbandes oder Rollenförderers gefördert wird. Nach dem Sintern, das insbesondere in Endgasatmosphäre durchgeführt werden, d.h. in einer Atmosphäre, die aus Luft und Propan oder Luft und Erdgasgemisch bestehen kann, das über einen Katalysator in einem Endothermprozess erzeugt wird, erfolgt ein Aufkohlen, um einen C-Pegel Cp im Bereich zwischen 0,6 % und 1 % zu erreichen. C-Pegel Cp ist definiert als eine prozentuale Gewichtszunahme durch Kohlenstoffanreicherung, wobei die %- Angabe Gew.-% ist. Der Zeitraum, in dem das Sintern durchgeführt wird, beträgt 15 min bis 60 min. Anschließend erfolgt eine Schroffkühlung, wobei die Abkühlraten DT/ At mehr als 3 K/s betragen sollte. Insbesondere sollte die Abkühlrate im Bereich zwischen 3 K/s < DT durch DT < 20 K/s liegen. Nach der Schroffkühlung auf eine Temperatur vorzugsweise im Bereich zwischen 40 °C und 60 °C erfolgt ein Anlassen auf eine Temperatur zwischen 160 °C und 300 °C über einen Zeitraum t mit 50 min < t < 100 min. Das Anlassen wird dabei unter Schutzgasatmosphäre durchgeführt.

Im gesinterten Pulvermaterial der zweiten Schicht 14 bildet sich beim Einsatzhärten ein martensitisches Gefüge, so dass die erforderliche Härte für die den hohen Belastungen ausgesetzte Verzahnung erzielbar ist. Insbesondere kann eine Vickershärte HVo,i > 400, insbesondere HVo,i> 500, erzielt werden.

Demgegenüber ist die erste oder innere Schicht 12 aufgrund der Materialzusammensetzung des Pulvermaterials weicher, so dass nach dem Anlassen des Sinterkörpers die erforderliche Endgeometrie der Lageraufnahme durch Kalibrierung, also formgebend, ausgebildet wird, ohne dass es einer mechanischen Bearbeitung bedarf. Wie durch die Doppelfeile 20, 22 angedeutet wird, bildet sich ein Übergangsbereich zwischen den Schichten 12, 14 aus. Beispielhaft kann die Dichte des Materials der die weiche Schicht bildenden ersten Schicht 12 Qi kleiner als 7,1 g/cm ³ sein, insbesondere im Bereich von 7,0 g/cm ³ liegen. Demgegenüber kann die Dichte 82 des zweiten Werkstoffs, also die der zweiten Schicht 14 mehr als 7,2 g/cm ³ , insbesondere im Bereich von 7,4 g/cm ³ liegen. Andere Dichtwerte sind auch möglich: di zwischen 6,4 g/cm ³ und 7,2 g/cm ³ d2 zwischen 6,8 g/cm ³ und 7,4 g/cm ³ mit di < d2.

Bei dem Zahnrad 10 liegt ein radialer Schichtaufbau vor, wie dieser auch rein prinzipiell der Fig. 6b zu entnehmen ist (Schichten 24, 26).

Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, dass bei Sinterformteilen bzw. Sinterformbauteilen Schichten 28, 30, 32 axial verlaufen, wie dies prinzipiell der Fig. 6a zu entnehmen ist.

Auch Mischformen sind möglich, wie die Fig. 6c rein prinzipiell verdeutlicht. So verlaufen die Schichten 34, 36, 38 abschnittsweise radial und abschnittsweise axial.

Anstelle von Pulver können bereits vorgepresste Körper als sogenannte erste Schicht verwendet werden, die eine gewünschte 3 -dimensionale Geometrie aufweisen.

Anhand der Fig. 3a bis 3d sollen rein prinzipiell Schichtverläufe von scheibenförmigen Sinterformteilen dargestellt werden, die zwei- bzw. dreischichtig entsprechend der erfindungsgemäßen Lehre ausgebildet sind. Dabei werden die Schichten - wie bei den Ausführungsbeispielen der Fig. 4 und 5 -, die ein martensitisches Gefüge und eine hohe Festigkeit und Härte aufweisen, als harte Schichten und diejenigen, die aus dem eine geringe Dichte und Härte aufweisende eisenbasierten Pulvermaterial, also dem zuvor bezeichneten ersten Werkstoff bestehen, als weiche Schicht bezeichnet. Des Weiteren sind die harten Schichten durch Punkte (rot) und die weichen Schichten durch Striche (grün) gekennzeichnet.

So weist das Formteil 40 gemäß Fig. 3a einen dreischichtigen Aufbau auf, wobei innere und äußere Schicht 42, 44 hart und die zwischen diesen verlaufende Schicht 46 weich ist. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3b weist das Formteil 48 eine innere und äußere weiche Schicht 50, 52 und eine zwischen diesen sich erstreckende harte Schicht 54 auf. Die Ausführungsformen der Fig. 3c, 3d weisen Formteile 56, 62 entsprechend dem Schichtaufbau der Fig. 1 und 2, eine zweischichtige Struktur auf, wobei bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 3c das Formteil 56 dem der Fig. 1 entspricht, also eine äußere harte Schicht 58 und eine innere weiche Schicht 60 aufweist, wohingegen das Formteil 62 gemäß Fig. 3d eine äußere weiche Schicht 64 und eine innere harte Schicht 66 besitzt.

Den Fig. 4a bis 4f sind rein prinzipiell Lagerbüchsen als Sinterformteil zu entnehmen, die bei den Ausführungsbeispielen der Fig. 4a, 4b radial zueinander verlaufende Schichten und gemäß der Fig. 4c bis 4f Mischformen, also radial und axial verlaufende Schichten aufweisen.

Die Lagerbüchsen 68, 70 gemäß der Fig. 4a, 4b unterscheiden sich dahingehend, dass die Lagerbüchse 68 eine innere weiche Schicht 72 und eine radial zu dieser verlaufende äußere harte Schicht 74 besitzt, wohingegen bei der Lagerbüchse 70 die Schichten in umgekehrter Reihenfolge verlaufen, d.h. eine äußere Schicht 76 ist weich und eine innere Schicht 78 hart. In den Fig. 4c bis 4f sind Lagerbüchsen 80, 82, 84, 86 rein prinzipiell dargestellt, die Mischformen in Bezug auf den Verlauf der harten und weichen Schichten aufweisen. So erstreckt sich die weiche Schicht 88 der Lagerbüchse 80 abschnittsweise axial und abschnittsweise radial zu der harten Schicht 90. Umgekehrt verläuft bei der Lagerbüchse 82 die harte Schicht 92 abschnittsweise axial und radial zu der weichen Schicht 94.

Gleiche Verhältnisse ergeben sich bei den Lagerbüchsen 84, 86, wobei eine harte Schicht 96 der Lagerbüchse 84 eine innere Schicht 98 umfangsseitig und entlang einer Stirnseite der Lagerbüchse 84 abdeckt. Ein umgekehrter Verlauf der harten Schicht 100 zu der weichen Schicht 102 der Lagerbüchse 86 ergibt sich aus der Fig. 4f.

Anhand der Fig. 5 soll noch einmal der axiale und der radiale Verlauf von Schichten prinzipiell verdeutlicht werden. So verlaufen harte Schichten 104, 106 gemäß der Fig. 5a, 5b axial zu den weichen Schichten 108, 110, wobei die Reihenfolge bei den Ausfühmngsbeispielen der Fig. 5a, 5b zueinander ausgetauscht sind. Entsprechendes ergibt sich aus den Fig. 5c, 5d in Bezug auf die harten Schichten 112, 114 in Bezug auf die weichen Schichten 116, 118.